[硕士论文精品]JPEG编解码的FPGA仿真研究.pdf
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1、哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 随着图像声纳技术的发展,对于大数据量图像数据的压缩成为必须要解 决的一个课题。本文结合水声图像特点,应用V e f i l o g H D L 语言在Q u a r t u sI I 软件环境下设计实现了J P E G 基本模式编解码器。 J P E G 是国际标准化组织( I S O ) 和C C I T T 联合制定的静态图像的压缩标 准,是目前最常使用的图像存储格式。 论文首先介绍了J P E G 编码的基本原理,然后根据编码的流程从总体结 构上对J P E G 编码器进行了模块划分。对于2 D D C T 变换采用了行列分离的 快速算法;针对水声图像特
2、点采用了D C 系数直接编码。以一幅真实的水声 图像作为J P E G 编码器的测试输入,对编码器输出的码流经过软件编程后正 确显示出了J P E G 图片,并分析了压缩图像效果和质量。 J P E G 解码器采用了和J P E G 编码器对称的模块划分,2 D I D C T 变换同样 采用了行列分离的快速算法;根据J P E G 标准中哈夫曼编码的特点,哈夫曼 解码采用了浓缩哈夫曼表法,降低了存储资源,提高了解码速度。对经本文 设计的J P E G 解码器解码后的图片和原图片进行了比较分析,结果表明本设 计满足要求。 关键词:J P E G ;F P G A ;V e r i l o g
3、H D L ;哈夫曼编解码 哈尔滨工程大学硕士学位论文 A BS T R A C T T h ec o m p r e s s i o no fm a s su n d e r w a t e ri m a g ed a t ai sas u b j e c tt h a tm u s tb e s o l v e dw i t ht h ed e v e l o p m e n to fi m a g es o n a r C o m b i n e dw i t hc h a r a c t e r i s t i c so f u n d e r w a t e ri m a g e ,
4、d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fJ P E Ge n c o d e ra n dd e c o d e ri n Q u a r t u s sI Is o f t w a r eu s i n gV e r i l o g H D Ll a n g u a g ei sp r o d u c e di nt h i sa r t i c l e J P E Gi sas t a t i c i m a g ec o m p r e s s i o n s t a n d a r d d e v e l o p e dj o i n
5、 t l yb y I n t e r n a t i o n a lO r g a n i z a t i o nf o rS t a n d a r d i z a t i o n ( I S O ) a n dC C I T I I t St h em o s t f r e q u e n t l yu s e di m a g es t o r a g ef o r m a t T h i sp a p e rf i r s t l yp r e s e n t sb a s e dp r i n c i p l e so fJ P E Ge n c o d i n g ,t h e
6、 nd i v i d e s m o d u l eo fJ P E Ge n c o d e rf r o mg e n e r a ls t r u c t u r ea c c o r d i n gt Oe n c o d i n gf l o w T r a n s f o r mo f2 D - D C Ta d o p t saf a s t a l g o r i t h m b a s e do nt h ec o n v e n t i o n a l r O W c o l u m n d e c o m p o s i t i o n m e t h o d D Cc
7、 o e f f i c i e n t e n c o d i n ge m p l o y s d i r e c t e n c o d i n gi na c c o r d a n c ew i t hc h a r a c t e r i s t i c so fu n d e r w a t e ri m a g e T a k i n gar e a l u n d e r w a t e ri m a g ea st h et e s ti n p u to fJ P E Ge n c o d e r , t h ec o d es t r e a mo u t p u t
8、t e db y t h ee n c o d e rc a nd i s p l a yJ P E Gi m a g ec o r r e c t l ya f t e ri ti sp r o g r a m m e db ys o f t w a r e E f f e c t sa n dq u a l i t yo ft h ec o m p r e s s e di m a g ea r ea n a l y z e d J P E Ge n c o d e ra p p l i e ss y m m e t r i c a lm o d u l ed i v i s i o n
9、o ft h eJ P E Gd e c o d e r T h ea l g o r i t h mo fr o w c o l u m nd e c o m p o s i t i o ni su s e di nt h et r a n s f o r mo f2 D - I D C T a sw e l l A c c o r d i n gt Op r o p e r t yo fH u f f m a ne n c o d i n gi nJ P E G , H u f f m a nd e c o d i n g a d o p t st h ea l g o r i t h m
10、o fC o n d e n s e dH u f f m a nT a b l e ,w h i c hr e d u c e st h em e m o r y r e s o u r c ea n de n h a n c e sd e c o d i n gs p e e d I m a g e sd e c o d e db yt h eJ P E Gd e c o d e ra r e c o m p a r e dt Ot h es o u r c ei m a g e s ,a n dt h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ed
11、e s i g ni nt h e p a p e rm e e tr e q u i r e m e n t s K e yw o r d s :J P E G ;F P G A ;V e r i l o g H D L ;H u f f m a ne n c o d i n ga n dd e c o d i n g 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明:本论文的所有工作,是在导师的指导下,由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用己在 文中指出,并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外, 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做
12、出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) :视海风 日期:2 D D 7 年弓月I 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定,即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索,可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文,可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第署名单位为哈 尔滨
13、工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 口在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) :靓逸风导师( 签字) :音砺 日期: 2 6 0 年3 月f 7 日腓多月fJ 日 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 论文背景 声纳是利用声波来判别水下物体存在、位置及类型的方法和设纠,伴 随着水下技术的日益成熟,用于水下勘探的目标成像技术越来越得到人们的 重视,由此而发展起来的图像声纳技术的应用也越来越广泛。通常图像声纳 得到的图像首先被存放在大容量的存储设备上B 1 ,然后再从存储设备中读出 声
14、纳图像,但这样做实时性、灵活性都很差。现代声学技术的发展使得图像 声纳通过水声信道将图像直接传送到主机成为可能。但是图像声纳数据量大, 而水声信道容量有限,所以必须对声纳图像进行压缩。 J P E G 是国际标准化组织( I S O ) 和C C I T T 联合制定的静态图像的压缩标 准。该标准使用基于离散余弦变换( D i s c r e t eC o s i n eT r a n s f o r m ,D C T ) 的方 法,在中高码率( 码率大于0 2 5 比特像素) 对于连续色调的静态灰度或彩色 图像提供了较好的压缩性能。J P E G 是目前最常使用的静止图像存储方式,大 多数电
15、脑上都能直接显示J P E G 格式的图片。 现今,市场上也存在着一些J P E G 编解码芯片,如T E D 公司推出的T E 系列编解码芯片,卓然公司推出的J P E G 编解码芯片Z R 3 6 0 6 0 等,但是此类 芯片的接口都是针对数字视频信号而言的,如果直接应用于本设计中,则需 要对接口部分进行复杂的设计,此外这些芯片功耗过大,并且这类芯片都对 编解码过程进行了封装,不利于结合声纳图像进行改进。因此利用已有的 F P G A 器件和E D A 工具,开发符合课题需要的J P E G 编解码器,是具有现实 意义的。本论文正是基于这点考虑,开发J P E G 编码器和解码器,使得图
16、像 声纳采集的图像在上传给主机之前先被压缩,降低图像存储容量,然后上传 给主机以J P E G 格式显示出来。 1 2 图像压缩技术的产生和发展 1 2 1 图像压缩的必要性 随着互联网以及多媒体技术的快速发展,人们对视频图像信息的处理速 哈尔滨工程大学硕士学位论文 度和视觉要求越来越高,而图像信息的数据量巨大,大数据量的图像信息会 给存储器的存储容量以及信道的传输速度增加极大的压力。单纯依靠存储器 容量的增加和信道传输速度的提高来解决这个问题是不现实的,因此必须对 图像进行压缩,去掉图像信息中的冗余,减少网络传输的信息量。 1 2 2 图像压缩的可能性 图像压缩的目的就是以尽量少的比特数表征
17、图像,同时保持图像的质量, 使它符合预定场合的要求。由于图像中数据量的大小与其携带的信息量并不 完全相等,所以可以去除图像中没有携带信息的数据,这些没有携带重要信 息的数据称为冗余数据。正是这些图像信息中存在的冗余数据以及人的视觉 特性为图像的压缩提供了可能性。 图像信息的冗余度主要存在于结构和统计两方面;结构上的冗余度表现 为很强的空间( 帧内的) 和时间( 帧间的) 相关性;统计上的冗余度来源于 被编码信号的概率密度分布的不均匀。只要应用一定的方法去除这些冗余度 就可以达到图像压缩的目的。此外,还可以利用人的视觉特性,在不被主观 视觉察觉的容限内,通过减少表示信号的精度,以一定的客观失真换
18、取数据 的压缩。 1 2 3 图像压缩技术的发展 数字图像压缩技术始于5 0 - - - 6 0 年代,当时主要使用差分脉冲编码调制技 术。7 0 年代引入了变换编码技术和运动补偿预测编码技术,1 9 7 4 年A h m e d 引入了著名的基于块的离散余弦变换( D C T ,D i s c r e t eC o s i n eT r a n s f o r m ) 算 法,它可以在没有大幅度降低图像质量的前提下,使得图像数据量大大减小。 8 0 年代,离散小波变换( D W T ,D i s c r e t eW a v e l e tT r a n s f o r m ) 应用在图像和
19、 视频编码中,D W T 算法可以使用在图像内的一个大块或者整幅图像上。1 9 8 5 年出现了基于块的混合运动补偿离散余弦变换( M C D C T ,M o t i o n C o m p e n s a t i o n D C T ) 系统,此技术应用于M P E G 中。 J P E G 标准是“连续色调静止图像数字压缩编码”国际标准的简称p 1 ,它 是国际标准化组织( I S O ) 下属的联合图片专家组J P E G ( J o i n tP h o t o g r a p h i c E x p e r tG r o u p ) 制定的第一个静止图像压缩编码的国际标准。 2 哈
20、尔滨工程大学硕士学位论文 J P E G 是假想为适用范围非常广泛,通用性很强的技术,所以J P E G 标准 提供四种工作模式以满足不同环境下的需要,这四种工作模式分别为:基本 D C T 顺序处理模式( 即J P E G 基本系统) ,基于D C T 的渐进处理模式,分层 模式,无失真模式。 ,现今存在的静态图像压缩标准主要有一1 : 二值图像压缩标准J B I G ( J o i n tB i 1 e v e lI m a g ee x p e f lG r o u p sc o d i n g ) ,是 针对二值图像压缩的; J P E G 标准,其正式名称为“连续色调静止图像的数字压
21、缩编码“ ( D i g i t a l C o m p r e s s i o nC o d i n go fC o n t i n u o u s t o n es t i l lI m a g e s ) ,是具有连续黑自或彩色 色调的静止图像的编码技术; J P E G L S 标准主要是针对连续色调图形的无损压缩; J P E G 2 0 0 0 标准,它是基于离散小波变换,采用最新的嵌入式编码技术, 具有优良的低比特率性能。 在2 0 0 6 年上半年,微软提出了W i n d o w sM e d i aP h o t o 图形格式,并于1 1 月份改名为“H DP h o t
22、o ”,在2 0 0 7 年3 月微软将其提交给一家标准机构,1 1 月份参与联合图像专家组的多个国家已经批准一项使H DP h o t o 格式成为一 项名为J P E GX R 的标准的计划。微软的H DP h o t o 图片格式可以保存更精细 的细节、提供更丰富的色彩,而且在同样的画质下体积只有一半大小,从技 术上H DP h o t o 的确有很多优势,然而在目前J P E G 已经稳定使用多年的市场 上,空有技术优势,并不意味一定有办法成功取而代之。虽然J P E G 2 0 0 0 标 准早在2 0 0 0 年就已制定,且图像压缩质量比J P E G 强,但却始终未成气候, 现今
23、风行的静态图像压缩标准仍为J P E G 。事实表明,随着J P E G 系统产品的 不断优化,在大多数场合下,采用J P E G 就可以满足要求了。而且,J P E G 的 低复杂度;低成本的优点也是别的标准所无法取代的。因此,J P E G 不可能完 全被替代。在未来很长一段时间内,J P E G 仍然将是主流的静止图像压缩标准 1 3 系统开发平台 1 3 1 开发工具 Q u a r t u sI I 软件是一款使用方便、功能完善的可编程逻辑器件开发工具。 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 O u a r t u sI I 提供了一种与结构无关的设计环境,设计人员无需精通器件内部结 构,
24、只需利用自己熟练的输入工具( 例如原理图或硬件描述语言) 进行设计, 就可以通过Q u a n u sI I 把这些设计转换为最终所需的格式。 Q u a r t u s I I 的开发主界面如图1 1 所示。它分为四个主要的子窗口。其中 左上方的子窗口为工程的浏览窗口,它显示的是用户设计的顶层模块,设计 所包含的所有输入文件以及整个设计的模块结构;左下方的子窗口为设计状 态图,在进行工程的编译综合以及仿真的时候,窗口内会显示每一步的进度 以及所耗费的时间:右边为设计输入窗口,用户可以选择通过不同的设计输 入手段,如原理图,V H D L 或V c f i l o gH D L 来进行F P
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